Citologia e istologia - prima parte

Citologia e istologia

Citoscheletro e reticolo endoplasmatico

Il citoplasma costituisce la porzione interna della cellula non occupata dal nucleo. Include il citosol, che occupa più della metà del volume interno, in cui hanno luogo molte attività cellulari come la sintesi di proteine, lipidi e le prime tappe del rilascio di energia dagli zuccheri. È una sostanza amorfa simile ad un gel, è un fluido permeato da una intricata struttura tridimensionale di filamenti e tubuli tra loro interconnessi dal citoscheletro.

Il citoscheletro è una struttura che conferisce alla cellula eucariotica la sua forma distintiva e un elevato livello di organizzazione interna, ha un ruolo importante nel movimento della cellula, divisione cellulare, contrazione delle cellule muscolari, battito ciglia e flagelli, movimento dei cromosomi durante la divisione cellulare e in alcuni casi nella locomozione della cellula. Funge da supporto al posizionamento e al movimento degli organelli all’interno del citosol.

Maggiori elementi strutturali del citoscheletro

• Microtubuli: sono gli elementi più grossi del citoscheletro. Nelle cellule eucariotiche si possono classificare in due gruppi, diversi sia per il grado di organizzazione che per la stabilità strutturale. Il primo gruppo, microtubuli assonemali, comprende microtubuli altamente organizzati e stabili, che si trovano in strutture subcellulari specifiche associate al movimento cellulare (es. ciglia, flagelli, corpi basali). La struttura portante si chiama assonema. Il secondo gruppo è costituito dalla rete di microtubuli citoplasmatici, organizzati in modo più lasso e dinamico.

Funzioni dei microtubuli

• Nelle cellule nervose sono necessari per preservare gli assoni, prolungamenti di queste cellule che servono per mantenere la loro forma polarizzata.
• Formano i fusi mitotici e meiotici essenziali per il movimento dei cromosomi durante la divisione cellulare.
• Contribuiscono alla disposizione nello spazio e al movimento direzionale di vescicole ed organelli, fornendo un sistema specializzato di fibre guida per il movimento (es. serve a localizzare l’apparato del Golgi e del reticolo endoplasmatico e sono coinvolti nel movimento attivo delle vesciche).

I microtubuli sono dei cilindri cavi, hanno una lunghezza variabile. Si assemblano a partire da subunità composte da una molecola di tubulina alfa e una di tubulina beta, strettamente associate in un dimero chiamato eterodimero di tubulina alfa-beta. All’inizio del processo di nucleazione, molti dimeri di tubulina si aggregano in gruppi chiamati oligomeri, alcuni di essi si associano in catene lineari di tubulina chiamati protofilamenti. Questi possono associarsi tra loro lateralmente formando dei foglietti, che contengono 13 o più protofilamenti si chiudono in una struttura tubulare dando origine ad un microtubulo.

L’allungamento di esso continua per l’aggiunta di subunità di tubulina ad una o ad entrambe le subunità. I microtubuli si originano dalla polimerizzazione reversibile di dimeri di tubulina. La sua formazione inizialmente è lenta, dando origine alla cosiddetta fase di ritardo. Poi abbiamo la fase di allungamento, molto veloce, i microtubuli crescono rapidamente, facendo così diminuire la concentrazione di tubulina nella cellula. Quando la concentrazione si riduce da essere limitante per l’assemblaggio si raggiunge la fase di plateau, dove le subunità sono aggiunte e sottratte dai microtubuli con la stessa velocità.

I microtubuli crescono a elevate concentrazioni di dimeri di tubulina e si disorganizzano a basse concentrazioni. È una struttura polare, perché le due estremità differiscono chimicamente e un’estremità può crescere e contrarsi più rapidamente dell’altra. L’estremità in crescita più rapida è detta positiva, mentre l’altra negativa.

I microtubuli originano da una struttura cellulare detta centro organizzatore dei microtubuli (MTOC). Molte cellule hanno un MTOC chiamato centrosoma, localizzato vicino al nucleo. I microtubuli originano dal materiale pericentriolare. Il centrosoma e gli MTOC sono fondamentali per controllare l’organizzazione dei microtubuli nelle cellule. I microtubuli si estendono dall’MTOC verso la periferia della cellula, inoltre crescono da un MTOC con una determinata polarità, cioè l’estremità negativa resta ancorata all’MTOC, mentre quella positiva si estende verso la membrana cellulare. Per determinare la polarità utilizzo GTP e GDP. Es. nella cellula nervosa ci sono due tipi di microtubuli, quelli assonici (associati al centrosoma) e dendritici (polarità mista).

• Microfilamenti: strutture citoscheletriche più sottili, quelli più conosciuti sono quelli implicati nell’attività delle cellule muscolari, dove interagiscono con i filamenti più spessi, i filamenti di miosina, per provocare la contrazione del muscolo. Si trovano anche in quasi tutte le cellule eucariotiche, dove sono coinvolti in funzioni strutturali e di movimento.

Funzioni dei microfilamenti

• Producono il solco di clivaggio che divide il citoplasma delle cellule animali durante la citocinesi e sono anche localizzate nei punti di contatto tra cellule e tra la cellula e la matrice extracellulare.
• Importanti nello sviluppo e mantenimento della cellula, molte cellule animali hanno una rete densa di microfilamenti chiamata corteccia cellulare, posta subito al di sotto della membrana plasmatica e che conferisce rigidità strutturale alla superficie della cellula.
• Fasci paralleli di microfilamenti formano una struttura parallela di microvilli, protusioni digitiformi che si trovano sulla superficie di cellule animali.

L’actina è una proteina molto abbondante presente nelle cellule procariotiche, sintetizzata come singola catena polipeptidica di 375 amminoacidi, una volta sintetizzata si organizza in una struttura a due con una cavità centrale che lega ATP con ADP. Le singole molecole di actina si chiamano G-actina e hanno una forma globulare. Queste polimerizzano a formare i microfilamenti, nella forma polimerizzata l’actina è chiamata F-actina, le actine si dividono in due gruppi principali:

• Nel caso delle actine beta e gamma, le actine sono localizzate in diverse regioni della cellula e sembrano reagire in modo diverso con le proteine che legano l’actina.

I monomeri di G-actina possono polimerizzare in modo reversibile in filamenti, con una fase lenta di nucleazione e una successiva più rapida di allungamento. I filamenti di F-actina che si formano sono composti da catene parallele lineari di G-actina polarizzate, avvolte l’una sull’altra ad elica. All’interno di un microfilamento tutti i monomeri di actina sono orientati nella stessa direzione, in modo che abbiano una polarità intrinseca con una estremità che differisce chimicamente e strutturalmente dall’altra. Per determinare la polarità uso sub-frammenti di miosina S1.

Le cellule possono regolare dove e come la G-actina debba essere assemblata nei microfilamenti. Le cellule che strisciano hanno strutture specializzate dette lamellipodi (actina meno organizzata) e filopodi (actina più organizzata) all’estremità che avanza, le quali permettono il movimento lungo una superficie. Nelle cellule che aderiscono strettamente al substrato e che non si muovono bene ci sono fasci organizzati di actina detti fibre di stress, si estendono dalla coda all’estremità anteriore. Le cellule, invece, che si muovono rapidamente non hanno questi fasci di actina, ma la loro corteccia cellulare disposta al di sotto della membrana plasmatica ed è ricca di actina, è intrecciata a formare un gel, un reticolo poco organizzato di microfilamenti.

Microvilli

Microvilli: sono strutture caratteristiche delle cellule della mucosa intestinale. Una cellula singola della mucosa intestinale è costituita da microvilli. La cellula grazie ad essi aumenta la sua superficie di circa 20 volte, necessaria per le funzioni intestinali, in quanto l’assunzione del cibo digerito dipende dall’estensione della superficie di assorbimento. La sua struttura portante è costituita da un fascio compatto di microfilamenti, le estremità positive sono rivolte verso la punta e ancorate alla membrana cellulare attraverso una placca amorfa elettrodensa, i microfilamenti sono connessi anche lateralmente alla membrana plasmatica attraverso le proteine miosina1 e calmodulina. Queste si estendono dal fascio alla placca di contatto elettrodensa sulla superficie interna della membrana.

Microfilamenti adiacenti sono a contatto grazie alle proteine fimbrina e villina. Alla base dei microvilli i microfilamenti si estendono in una fascia di filamenti chiamata trama terminale, in cui i filamenti sono composti principalmente da miosina e spectrina che collegano tra loro i microfilamenti, e da proteine localizzate nella membrana plasmatica e alla rete di filamenti intermedi localizzata sotto la trama terminale (conferisce rigidità ai microvilli ancorando i fasci di microfilamenti in modo che si possano proiettare al di fuori della superficie cellulare).

• Filamenti intermedi: sono intermedi tra microtubuli e microfilamenti, sono le strutture più stabili e meno solubili del citoscheletro. Il trattamento delle cellule con detergenti rimuove la maggior parte dei microtubuli, dei microfilamenti e proteine del citosol, ma lascia intatte le reti di filamenti intermedi che conservano la loro forma.

Funzioni dei filamenti intermedi

• A causa della loro stabilità, si pensa che possano fungere da supporto per l’intero complesso citoscheletrico delle cellule.
• I filamenti intermedi non sembrano essere polarizzati, si trovano solo in organismi multicellulari e differiscono nella composizione amminoacidica da tessuto a tessuto.

A seconda del tipo di cellula possono esserci 6 classi:

• Le classi 1-2 comprendono le cheratine, proteine che costituiscono i filamenti delle cellule epiteliali e ricoprono la superficie e le cavità del corpo.
• La classe 3 comprende la vimentina (nel tessuto connettivo e cellule non epiteliali), desmina (cellule muscolari), proteina fibrillare acida della glia (caratteristica delle cellule della glia che circondano e isolano le cellule nervose).
• La classe 4 è costituita da proteine dei neurofilamenti che si trovano nelle cellule nervose.
• La classe 5 è costituita dalle lamine nucleari A-B-C che formano un supporto filamentoso lungo la faccia interna della membrana nucleare di tutte le cellule eucariotiche.
• La classe 6 è costituita da nestina.

Queste proteine sono codificate da un'unica famiglia di geni correlati, possono essere classificate anche in base alle omologie della sequenza amminoacidica. Tutte hanno caratteristiche comuni nonostante differiscano per dimensioni e proprietà chimiche. A differenza della actina e tubulina, le proteine sono fibrose e non globulari.

Organelle cellulari

Le cellule eucariotiche presentano immersi nel citoplasma strutture specializzate nello svolgimento di particolari funzioni: gli organelli come lisosoma, il reticolo endoplasmatico rugoso, il reticolo endoplasmatico liscio, ribosomi, mitocondri, Golgi. Anche cellule molto diverse come ad esempio eritroblasti, leucociti, plasmacellule e cellule acinose del pancreas, molto diverse morfologicamente tra loro, il corredo degli organelli è lo stesso. Possono però variare per dislocazione e per abbondanza.

Reticolo endoplasmatico

Questo è un vasto sistema membranoso organizzato in un esteso sistema di membrane e sacculi interconnessi fra loro che si continuano con l'involucro nucleare. I sacculi prendono il nome di cisterne e lo spazio comune all'interno del reticolo endoplasmatico si chiama lume. Ci sono due tipi di reticolo endoplasmatico o endoplasmico:

• Il reticolo endoplasmico granulare o rugoso o ergastoplasma (RER)
• Il reticolo endoplasmico liscio o agranulare (REL)

Il reticolo endoplasmatico liscio o agranulare è caratterizzato dall'assenza di ribosomi attaccati sulla superficie esterna. Inoltre è costituito da strutture tubulari che rivelano continuità degli spazi luminali del reticolo endoplasmatico e rispetto al reticolo endoplasmatico rugoso ha un aspetto più vescicolare con cisterne più dilatate, cioè meno appiattite e abbondanti in maniera particolare nel tessuto muscolare scheletrico, nelle ghiandole endocrine che producono ormoni steroidei e nel tessuto renale.

Il reticolo endoplasmatico liscio è coinvolto nella detossificazione dei farmaci, nel catabolismo del glicogeno, è collegato alla produzione di ormoni steroidei, è il reticolo sarcoplasmatico nelle cellule muscolari dove rappresenta il deposito degli ioni calcio molto importante nel processo della contrazione ed è coinvolto nella sintesi dei lipidi.

Una reazione comune nelle vie di detossificazione dei farmaci e della biosintesi degli steroidi è l'idrossilazione, l'aggiunta cioè di gruppi di idrossilici a molecole organiche accettrici, in ciascuno di questi casi l'idrossilazione dipende da un membro della famiglia dei citocromi P450. I membri di questa famiglia sono particolarmente abbondanti nel reticolo endoplasmatico liscio degli epatociti, ma possiamo trovarli anche nelle cellule dei polmoni e nelle cellule dell'intestino.

Nel reticolo endoplasmico è presente un sistema di trasporto degli elettroni in grado di trasferire gli elettroni gradualmente da uno dei consumi ridotti NADPH e NADH ad un citocromo P450. La sua forma ridotta può donare un elettrone all'O2 molecolare attivando la molecola per l'idrossilazione.

NADPH = donatore di elettroni per la detossificazione dei farmaci e la biosintesi degli steroidi.

NADH = donatore di elettroni durante l'idrossilazione degli acidi grassi. Il citocromo P448 promuovendo l'idrossilazione del benzopirene, componente del fumo di sigaretta, lo trasforma da potenzialmente cancerogeno alla sua forma chimicamente attiva.

Il reticolo endoplasmatico liscio degli epatociti è coinvolto anche nella degradazione enzimatica del glicogeno immagazzinato, attraverso un enzima presente sulla sua membrana che è la glucosio-6-fosfatasi. Per capire l'importanza di questa fosfatasi è necessario analizzare sia il modo con cui le cellule del fegato immagazzinano il glicogeno, sia la ragione e il meccanismo della sua degradazione successiva.

Uno dei ruoli più importanti del fegato è quello di mantenere relativamente costante il livello di glucosio nel sangue, il fegato immagazzina glucosio sotto forma di glicogeno e lo rilascia quando serve all'organismo specialmente nell'intervallo tra i pasti oppure in risposta alle attività muscolare.

Il glicogeno epatico viene immagazzinato sotto forma di granuli associati al reticolo endoplasmatico liscio, la sua mobilizzazione è mediata da ormoni e coinvolge l'attivazione della glicogeno fosforilasi, un enzima che scinde il glicogeno in unità di glucosio 1-fosfato.

Nel citosol il glucosio 1-fosfato può essere prontamente convertito in glucosio-6-fosfato da parte di un enzima chiamato fosfo-gluco-mutasi. Le membrane sono comunque generalmente impermeabili agli zuccheri fosforilati. Per abbandonare la cellula epatica ed entrare nel flusso sanguigno, il glucosio sei fosfato deve essere convertito in glucosio. La glucosio-6-fosfatasi legata alla membrana del REL, rimuove il gruppo P da glucosio-6-P, permettendo al glucosio di essere trasportato fuori dalla cellula epatica attraverso una permeasi (trasporto facilitato). Un'altra funzione del REL nelle cellule muscolari è quello di essere specializzato nell'immagazzinamento del calcio.

Epitelio

Negli organismi pluricellulari le cellule isolate sono rare, di solito elementi simili si associano fra loro a formare dei raggruppamenti che chiamiamo tessuti. I tessuti a loro volta si uniscono tra loro per formare unità fondamentali superiori chiamati organi. Gli organi si associano per costituire complessi integrati per lo svolgimento di determinate funzioni che chiamiamo apparati o sistemi.

All'interno del nostro organismo abbiamo circa 200 tipi diversi di cellule che si organizzano per formare i 4 tipi fondamentali di tessuti:

• Epiteliale
• Connettivo
• Muscolare
• Nervoso

Sezione di midollo spinale, sostanza bianca superficialmente e sostanza grigia a forma di H o farfalla, posta più internamente. Al centro il canale centrale.

Il primo tessuto trattato è il tessuto epiteliale che può presentarsi sotto 2 forme:

• Lamine di cellule poste a muto contatto e sono rappresentate dagli epiteli che rivestono il corpo nella sua parte esterna e delimitano la superficie interna dell'organismo.
• Ghiandole che si originano da cellule epiteliali che migrano poi nel tessuto connettivo sottostante.

Le cellule epiteliali svolgono diverse funzioni:

• Assorbimento, pensiamo ad esempio al tratto intestinale dove vengono assorbiti gli elementi nutritivi contenuti nel cibo oppure pensiamo all'apparato renale dove avviene il riassorbimento di proteine, di glucosio, di ioni sodio e cloruro di ioni bicarbonato e soprattutto il riassorbimento di acqua.
• Secrezione, le cellule epiteliali sono in grado di secernere diverse sostanze tra queste, il muco, ormoni, enzimi e molti altri prodotti frutto dell'elaborazione del tessuto ghiandolare.
• Trasporto trans-cellulare, meccanismo attraverso il quale il materiale internalizzato per endocitosi su uno dei due versanti della cellula è trasferito sul versante opposto.
• Protezione, il tessuto epiteliale come rivestimento delle superfici corporee svolge un ruolo di protezione da vari stimoli fisici e chimici anche nei confronti dei tessuti sottostanti.
• Recezione di sensibilità, svolta attraverso l'attività delle papille gustative attraverso la retina dell'occhio e le cellule capellute dell'orecchio interno.

Le cellule epiteliali presentano delle caratteristiche distintive che contribuiscono alle loro funzioni specifiche.